一种叶轮结构及一种压气机的制作方法

本发明属于机械技术领域，尤其涉及一种叶轮结构及一种压气机。

背景技术：

近年来，随着排放标准升级，发动机小型化已成为一种发展趋势，为了提高发动机的升功率，最为有效的方法是匹配废气涡轮增压器。废气涡轮增压器综合性能的优劣直接影响了发动机的整体性能，而离心压气机效率的提高能有效改善整个增压器的性能。

目前，除了对离心压气机叶轮叶型和蜗壳周向流道进行流体动力学优化设计来提升压气机级性能外，还可以通过一些被动控制措施，例如：对压气机叶顶间隙采用可磨耗涂层进行控制、提高叶轮及压壳表面的光洁度等来提升压气机性能。从离心压气机叶片通道的流场分布来看，在靠近叶轮出口处流场可由射流及尾流两大部分构成，在靠近叶片压力面及叶片通道中间大部分区域流体速度较快，剩下的在靠近叶片吸力面区域，流体自叶片上游向下游流动过程中，压力梯度越来越大，而该区域段流体速度通常较低，导致在靠近叶轮出口处流体无法抵抗逆压梯度，最终出现了逆流，称为尾流区域，尾流区宽度有时甚至可达到叶片通道出口宽度的一半以上，这样，会让叶轮出口很大的气流混合损失，对整个压气机的性能造成不利影响。

技术实现要素：

本发明提供一种叶轮结构，能够减少叶片一侧的流道面积，有利于提高流体动能，抵抗逆向压力梯度，提高压气机性能。

为解决上述问题，本发明通过提供一种叶轮结构，包括：多个叶片、轮毂以及轮背凸台，所述叶片设置在所述轮毂外周上，所述轮背凸台位于所述轮毂底部中心，且所述叶片、所述轮毂与所述轮背凸台一体成型，所述叶片的压力面、吸力面以及所述轮毂表面形成流道，其中，在所述叶片之间的轮毂表面上设置有一延伸至所述流道尾端的轮毂凸面。

更进一步地，所述轮毂凸面为沿所述流道流向方向厚度逐步增加的凸面结构。

更进一步地，所述轮毂凸面设置在所述流道中偏向所述吸力面一侧。

更进一步地，所述轮毂凸面沿所述流道的流向方向厚度增加，所述延所述流道的流向方向厚度增加的位置为所述流道的中间位置，至所述流道的末端位置。

更进一步地，所述轮毂凸面从沿所述流道的流向方向加厚至在所述流道尾端呈收敛状。

更进一步地，在所述轮毂的周向上，所述轮毂凸面位于偏向所述叶片的所述吸力面50％的区域内。

更进一步地，在所述轮毂的周向上，所述轮毂凸面的周向延伸占据所述流道的50％区域。

更进一步地，在所述流道的流向方向上，所述轮毂凸面的加厚起始位置为位于所述流道起始端的50％-100％的位置。

更进一步地，所述轮毂凸面的加厚起始位置为位于所述流道起始端的80％-100％的位置。

本发明还提供一种压气机，包括任一实施例中所述的一种叶轮结构。

本发明所达到的有益效果：本实施例由于在轮毂表面上设置有一延伸至流道尾端的轮毂凸面，当流体从流道至上而下进入流道尾端时，轮毂凸面的形成可以减少叶片一侧流体的流道面积，加快流体的流动速度，有利于提高流体动能，抵抗逆向压力梯度，从而减少尾流产生和出口混合损失，提高压气机性能。

附图说明

图1a为本发明提供的一种叶轮结构的结构示意图；

图1b为本发明实施例提供的实验数据图对比图；

图1c为本发明提供的质量流量与压比之间的关系曲线结构示意图；

图1d为本发明提供的质量流量与效率之间的关系曲线结构示意图；

图2为本发明提供的叶轮结构的剖面结构示意图；

图3为现有技术中叶轮结构的结构示意图。

其中，1、叶片，11、压力面，12、吸力面，2、轮毂，21、轮毂凸面，22、轴孔，3、轮背凸台，4、流道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的技术中，从离心压气机叶片通道的流场分布来看，在靠近叶片压力面及叶片通道中间大部分区域流体速度较快剩下的在靠近叶片吸力面区域，流体自叶片上游向下游流动过程中，压力梯度越来越大，而该区域段流体速度通常较低，导致在靠近叶轮出口处流体无法抵抗逆压梯度，最终出现了逆流，尾流区宽度有时甚至可达到叶片通道出口宽度的一半以上，导致叶轮出口很大的气流混合损失。在本实施例中，由于在轮毂2底面上设置有一延伸至流道4尾端的轮毂凸面21，当流体从流道4至上而下进入流道4尾端时，轮毂凸面4的形成，可以减少叶片1压力面一侧的流体的流道面积，加快流体的流动速度，有利于提高流体动能，抵抗逆向压力梯度，从而减少尾流产生和出口混合损失，提高压气机性能。

实施例一

如图1a所示，为本发明实施例提供的一种叶轮结构的结构示意图。一种叶轮结构，包括：多个叶片1、轮毂2以及轮背凸台3，叶片1设置在轮毂2外周上，轮背凸台3位于轮毂2底部中心，且叶片1、轮毂2与轮背凸台3一体成型，叶片1的压力面11、吸力面12以及轮毂2表面形成流道4，其中，在叶片1之间的轮毂2底面上设置有一延伸至流道4尾端的轮毂凸面21。

其中，叶片1可以设置有多片，且可以是轴对称设置。叶片1可以是呈“后弯s型”，“后弯s型”的叶片1设置在轮毂2的外周，且通过一长侧边与轮毂2一体成型连接设置。叶片1的压力面11可以是指切线方向朝上的面，吸力面12可以是指切线方向朝下的面。在相邻两个叶片1的一压力面11与一吸力面12之间形成有流道4，流道4可以是给流体提供的流动空间，且流道4的口径可以是从上至下逐渐增大。叶片1从与轮毂2连接处向外延伸的厚度可以逐渐减小，这样可以提供稳固连接的同时，还可以保证流体在流道4中有足够的流动空间。叶片1与轮毂2之间的连接处可以是呈平滑曲面连接，能够保证流体的通畅性。需要说明的是，本发明可以以轴对称离心压气机叶轮作为基础。

上述轮毂2可以是上小下大的圆台形结构，在与叶片1连接处从上至下半径逐渐扩大，上侧未与叶片1连接的部分其半径相等。在轮毂2的中心可以设置有轴孔22，且轴孔22下端贯穿轮背凸台3。轴孔22可以呈圆柱形结构，轴孔22上下两顶端接口口径可以大于轴孔22的半径，轴孔22可以用于与电机的电机轴端部通过过盈配合，形成可拆卸连接。上述电机轴可以是电机与叶轮之间的连接端，电机可以带动叶轮转动进行工作。

上述轮背凸台3可以位于轮毂2与叶片1的底部中心且向下凸起，轮背凸台3的边缘沿着轮毂2底部向四周延伸，且在延伸时，呈现曲面延伸，轮背凸台3起始端至1/3位置梯度大，1/3位置至末端位置梯度小。轮背凸台3可以为叶片1提供旋转空间，当外部器件与轮背凸台3连接时，可以与叶片1保持安全距离，避免触碰造成损坏。上述叶片1、轮毂2与轮背凸台3可以是一体成型设置，无缝连接、整体性强。

参考图1a所示，轮毂凸面21可以是设置在相邻两片叶片1之间的流道4中，且延伸至流道4尾端，也可以称为尾流区域。轮毂凸面21的形成将流道4划分为两个流道面积更小的区域，特别是靠近叶片1的吸力面12一侧的区域，通过减少叶片1一侧流体的流道面积，可以提高流体在尾流区域的流动速度，有利于提高流体动能。图1a中l1可以表示一个轮毂凸面21在横向上加厚的位置，轮毂凸面21所在位置可以更靠近左侧叶片1。

具体的，如图1b所示，为本发明实施例提供的实验数据图对比图。其中，质量流量一、压比一以及效率一为本专利方案实施例提供的方法对应的实验数据。上述质量流量二、压比二以及效率二为现有技术方案的实验数据。在保证电机的转速不变的情况下，可以绘制出如图1c所示的质量流量与压比之间的关系曲线结构示意图。根据图1c所示可知，在质量流量越低时，本发明提供的叶轮结构对应的压比更大，特别是在图中质量流量为0.09之前的变化，且质量流量越大，对应的压比越小。继续参考图1所示，图1d为本发明提供的质量流量与效率之间的关系曲线结构示意图。从图1d中可以得出，本发明实施例提供的叶轮结构相对于现有技术而言，在质量流量低的情况下，效率更高，特别是在质量流量小于0.1的情况下。且从图1d中可知，在关系图中，质量流量为0.09时，对应会出现一个效率峰值0.763406。

需要说明的是，上述的压比可以是指压气机的出口压力与进口压力之比。上述的质量流量的就算公式可以如下所示：

质量流量(m)＝介质密度(ρ)×体积流量(q)

＝介质密度(ρ)×平均流速(v)×流道截面积(a)

其中，介质可以是流经流道4的流体，体积流量可以是单位时间里通过流道4断面的流体体积，简称流量，以q表示，体积流量(q)＝平均流速(v)×流道截面积(a)，平均流速可以是指流体在流道4中的平均流速，流道截面积可以表示流体流经流道4的横截面积。

更具体的，本发明实施例通过在轮毂2表面上设置有一延伸至流道4尾端的轮毂凸面21，当流体从流道4至上而下进入流道4尾端时，轮毂凸面4的形成可以减少叶片1一侧的流体的流道面积(流道截面积)。根据上述图1b-1d所示，流道截面积减小可以减小质量流量，质量流量越小，对应的压比越大，且效率在质量流量小的部分(≤0.09)相对于质量流量大(＞0.09)的部分对应的效率会更高，对应0.09会出现最大效率。

在本发明实施例中，由于在轮毂2表面上设置有一延伸至流道4尾端的轮毂凸面21，当流体从流道4至上而下进入流道4尾端时，轮毂凸面4的形成，可以减少叶片1一侧的流体的流道面积，加快流体的流动速度，有利于提高流体动能，抵抗逆向压力梯度，从而减少尾流产生和出口混合损失，提高压气机性能。

实施例二

如图2所示，图2为本发明提供的叶轮结构的剖面结构示意图。在实施例一的基础上，轮毂凸面21为沿流道4流向方向厚度逐步增加的凸面结构轮毂凸面21设置在流道4中偏向吸力面12一侧。

其中，流道4的流向方向为从上至下，即从流道4口径小的一端向流道4口径大的一端流动。轮毂凸面21的厚度沿着流道4的流向方向逐渐增加至流道4的末端。且轮毂凸面21呈现的凸面结构可以是一个半椭圆形结构，也即是呈现一个圆弧形曲面结构。轮毂凸面21向上凸起，从上至下延流向方向其厚度逐渐增大，直到延伸至流道4尾端，轮毂凸面21的厚度达到最大。且轮毂凸面21一侧与吸力面12连接，另一侧延伸至流道4的中间区域，整体形成一个类似“s形结构”，将流道4一分为二，减少了流道4的流道面积。

结合现有技术提供的图3所示，在吸力面12与压力面11之间的流道4只有单独的流道4，当流体从压力面11与流道4中间部分(流道4的射流区域)快速流下后，会冲击到尾流区域，特别是靠近吸力面12一侧。流体从上至下流动的过程中压力梯度逐渐增大，而流道4的尾流区域相对于射流区域而言趋于平缓，会让流体的流速降低。当流体从上至下流动的过程中，靠近吸力面12下半部处因为流道面积大以及梯度小，其扩散能力相对压力面11下半部更慢，因此，需要保证足够的速度使得流体流动的速度可以抵抗逆压梯度，避免出现逆流。而本发明的轮毂凸面21可以是设置在流道4中且更偏向于吸力面12的一侧。将上述轮毂凸面21设置在更偏向吸力面12一侧的流道4中，可以将单独的流道4划分为两个平滑的流道4区域，凸起部分可以将流体向凸起的两侧沟道压，以保证流体的集中并产生更快的流速以抵抗逆压梯度。

更进一步地，轮毂凸面21沿流道4的流向方向厚度增加，延流道4的流向方向厚度增加的位置为流道4的中间位置，至流道4的末端位置；轮毂凸面21从沿流道4的流向方向加厚至在流道4尾端呈收敛状；在流道4的流向方向上，轮毂凸面21的加厚起始位置为位于流道4起始端的50％-100％的位置；轮毂凸面21的加厚起始位置为位于流道4起始端的80％-100％的位置。

具体的，可以参考图2中l2，l2为轮毂凸面21的厚度改变区域。考虑到流道4的尾流区域的流速较慢容易出现逆流的情况，所以轮毂凸面21沿流道4的流向方向其厚度逐渐增加的位置可以是从流道4的中间位置起至流道4的末端位置结束，也可以表示加厚起始位置为位于流道4起始端的50％位置开始到100％位置，且呈现收敛状，一侧平滑的延伸至吸力面12，另一侧延伸至流道4中间位置，将流道4分割成两个较小的流道，且靠近吸力面12侧的流道面积更小，更有利于提高流体的流动速度。

作为一种可选的实施例方式，还可以将轮毂凸面21延流向方向其加厚起始位置设置为位于流道4起始端的80％-100％的位置，该加厚位置可以作为一个优选的区域，更有利于提高流体的流动速度。

更进一步地，在轮毂2的周向上，轮毂凸面21位于偏向叶片1的吸力面12的50％区域内；以达到提高偏吸力面区域的流体动能。

作为进一步的改进，在轮毂2的周向上，轮毂凸面21的周向延伸占据流道4的50％区域。

具体的，在轮毂2的周向方向上，轮毂凸面21的厚度增加范围可以是从吸力面12侧开始至流道4的50％区域内，具体可以参考图1a中的l1。轮毂凸面21结合吸力面12形成“s形结构”，使流道4靠近吸力面12一侧沿流向方向形成中间高、两端低，呈收敛状。且轮毂凸面21占据的区域为流道4周向方向的50％区域，即从周向方向看，占据流道4的一半。因尾流区域中，靠近吸力面12一侧，流体更容易产生扩散，且流速低，将轮毂凸面21设置在更靠近吸力面12一侧流道4的50％区域内，可以减少靠近吸力面12一侧流体的流道面积，以加快流体的流动速度，用于抵抗逆流。

需要说明的是，上述轮毂凸面21延流道4的流向方向厚度逐渐增加，其增加的厚度在本实施例中不做具体限定。因流道4的长度不同，以及设置的叶片1数量不同，会让轮毂凸面21的长度及厚度不同，因此可以根据叶片1之间形成的流道4宽度以及流道4总长等参数对轮毂凸面21的厚度做调整，使得整体性能更高。

在本发明实施例中，将靠近叶片1的吸力面12一侧的轮毂2沿流道4方向逐步加厚，形成轮毂凸面21，轮毂凸面21加厚位置沿流向方向为流道4总长的50％-100％，且形成收敛状，可以减小流体的流道面积；且在周向方向上，轮毂凸面21的加厚位置更偏向于吸力面12到流道4中间50％区域内，能够加快靠近吸力面12一侧流体的流动速度。通过设置轮毂凸面21以减少吸力面12一侧的流体的流道面积，当流体自上而下从射流区域进入到尾流区域时，能够提高流体动能，抵抗逆向压力梯度，以减少尾流产生和出口混合损失，提高压气机性能。

实施例三

本发明实施例还提供一种压气机，包括上述任一实施例中的一种叶轮结构。

其中，本发明实施例提供的叶轮结构可以包括全主叶片形式，也可以包括主叶片与分流叶片形式，具体不做限定。

在本发明实施例中，将靠近叶片1的吸力面12一侧的轮毂2沿流道4方向逐步加厚，形成轮毂凸面21，轮毂凸面21加厚位置沿流向方向为流道4总长的50％-100％，且形成收敛状，可以减小流体的流道面积；且在周向方向上，轮毂凸面21的加厚位置更偏向于吸力面12到流道4中间50％区域内，能够加快靠近吸力面12一侧流体的流动速度。通过设置轮毂凸面21以减少吸力面12一侧的流体的流道面积，当流体自上而下从射流区域进入到尾流区域时，能够提高流体动能，抵抗逆向压力梯度，以减少尾流产生和出口混合损失，提高压气机性能。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合，上述电机与控制装置之间的连接为电连接。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。